數(shù)字合成中發(fā)光粒子和體積云表現(xiàn)

王麗莎 周麗

摘要：發(fā)光粒子和體積云表現(xiàn)是數(shù)字合成中一個非常寬泛的話題，也是一個難題。然而目前大量的影視作品中粒子和體積云效果并不讓人滿意，本文將結合筆者工作經驗就數(shù)字合成中如何提高發(fā)光粒子和體積云的數(shù)字合成真實感做一些探討。

關鍵詞：數(shù)字合成;發(fā)光粒子;體積云

Abstract：The presentation of luminescent particles and the volumetric cloud is both a very broad topic and a tough problem in digital compositing.However，the current luminescent particle and volumetric cloud's effects in a large number of film and television works are not satisfactory.This paper will combine the author's own work experience to discuss how to improve the sense of the reality of luminescent particles and volumetric cloud in digital compositing.

Key Words：Digital;compositing;Luminescent Particles;Volumetric Cloud

1關于發(fā)光粒子和體積云話題

發(fā)光粒子作為一種抽象的藝術表現(xiàn)手段，在影視作品中大量出現(xiàn)，與之對應的實際表現(xiàn)形式有游動的光線、空中散開的禮花、宇宙中的星系、發(fā)光塵埃等。體積云也在大量的影視作品中出現(xiàn)，空中飄浮的白（烏）云、云海、山霧、龍卷風等。這些影視合成元素非常常見。它們的真實度可以對影像作品的表達呈現(xiàn)起到畫龍點睛的作用，因此這是一個值得深入探討的話題。很多影視制作人員制作的合成效果不好，是因為脫離了實際僅通過軟件來思考如何模擬對象。但實際上我們應當反過來，用更多的時間去觀察分析被模擬的事物本身，然后抽象分析并總結出特征屬性，再進行模擬。

2發(fā)光粒子表現(xiàn)的特征分析

發(fā)光粒子是一個抽象的表現(xiàn)元素，為了體現(xiàn)出真實的數(shù)字合成效果，卻是一個復雜的問題。發(fā)光粒子的表現(xiàn)可以參照現(xiàn)實生活中幾種典型場景，空中綻放的禮花、夜晚游動的螢火蟲，燒火時飄忽不定的火星等。很多特征是基于物理或化學規(guī)律的，如果發(fā)光粒子不能準確反映出這些場景中發(fā)光粒子的特征將會導致表現(xiàn)力的急劇下降。

2.1空中綻放的禮花粒子分析

2.1.1綻放禮花粒子運動，從發(fā)射到空中炸開，所有發(fā)光的粒子都是火藥在空中燃燒的結果。禮花彈丸被快速推向高空，爆炸散開墜落的過程這些粒子的運動必然遵循物理規(guī)律。火花粒子受到重力的影響，爆炸散開墜落的過程受到空氣阻尼，空中散開還可能受到空氣中的風和其它擾動氣流影響從而產生變化。這些都屬于動力學的范疇，每個粒子受到幾個不同作用力共同影響，每幀畫面中對每個粒子位移做遍歷計算，不難求出其運動軌跡。

2.1.2綻放禮花粒子燃燒，每個火藥微粒的大小、速度、成分和燃燒條件都不盡相同，從而形成了色彩不同、燃燒時間不同、發(fā)光強度不同的閃爍微粒效果。微粒往往會繼續(xù)爆炸，分裂出更多粒子和形成發(fā)光的拖尾。

2.2游動螢火蟲和火星分析

游動的螢火蟲，它們?yōu)榱藢ふ遗渑荚诳罩酗w舞，空中飛行軌跡是隨機的，但又不是毫無目的亂飛，局部可以有排斥和吸引、分散和聚龍等現(xiàn)象。發(fā)光的規(guī)律也不簡單，螢火蟲的閃光模式包含了許多子參數(shù)，如雄螢特異性閃光模式（Maleflash-pattern）、雄螢特異性閃光間隔（Maleflash pattern interval）、雌螢回應時間（Female response delaytime）和雌螢閃光時間（Female flash length）。不同螢火蟲的閃光信號差異非常大，同種螢火蟲不同行為具有不同的閃光信號。研究發(fā)現(xiàn)只有在Photinus pyralis雄螢閃光2s時發(fā)出一個模擬的回應閃光，才能引誘到雄螢。Photinus scintillans的雌螢只對間隔為0.13～0.16s的閃光做出回應，而對間隔為0.20～0.34s的閃光并不回應[1]。當然我實際影視制作無需如此復雜，一般也就用一個隨機閃爍來代替，結合考慮這些研究者提供的螢火蟲閃爍數(shù)據(jù)，可以從本質上提高表現(xiàn)的真實度。燃燒的火星相對簡單，隨著上升的熱氣流飄動，逐步隨著時間推移變得越來越暗淡。

2.3發(fā)光粒子的特征總結

2.3.1禮花彈丸大小不同粒子發(fā)射源有大小屬性;每個粒子具備各自的大小、亮度、顏色、速度（爆炸）;粒子可能會二次爆炸產生新的粒子;飛行中產生發(fā)光的拖尾;粒子會受到重力場影響（墜落）;受到空氣影響（阻尼、浮力、擾動）;所有這些屬性都應當有各自隨機性，也可以時間做變化的函數(shù)。

3體積云的表現(xiàn)特診分析

3.1游動變化的白（烏）云，云層、云霧、龍卷風

廣義的分析，其實體積云也是一種粒子表現(xiàn)，當然也可以劃分在流體體系中。云和云層形態(tài)相對穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在邊緣部分隨機變化，整體形態(tài)緩慢變化，云層云霧主要是體積大小區(qū)別。龍卷風是體積云的一種特殊情況，是一類局地尺度的劇烈天氣現(xiàn)象。按形態(tài)和產生環(huán)境，龍卷風可以分為多渦旋龍卷、陸龍卷、水龍卷等。簡單分析其成因可以有助于對其表現(xiàn)的模擬。龍卷風這種自然現(xiàn)象是云層中雷暴的產物，具體的說，龍卷風就是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的區(qū)域內集中釋放的一種形式。龍卷風的形成可以分為四個階段：

（1）大氣的不穩(wěn)定性產生強烈的上升氣流，由于急流中的最大過境氣流的影響，它被進一步加強。

（2）由于與在垂直方向上速度和方向均有切變的風相互作用，上升氣流在對流層的中部開始旋轉，形成中尺度氣旋。

（3）隨著中尺度氣旋向地面發(fā)展和向上伸展，它本身變細并增強。同時，一個小面積的增強輔合，即初生的龍卷在氣旋內部形成，產生氣旋的同樣過程，形成龍卷核心。

（4）龍卷核心中的旋轉與氣旋中的不同，它的強度足以使龍卷一直伸展到地面。當發(fā)展的渦旋到達地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風速急劇上升，形成龍卷風[2]。因此龍卷風是體積云劇烈運動的一種特殊情況，其最大特征是螺旋上升和旋轉。具有上下大小不同特點，要么是空中部分是大頭，從地面螺旋上升到空中，還有一種是地面是大頭從地面開始旋轉發(fā)生，逐步上升到天空。當龍卷風穩(wěn)定形成后，可能會形成類似管道的穩(wěn)定形狀，所有的流動部分都具有擾動和隨機的變化。

4發(fā)光粒子表現(xiàn)的典型軟件方案

發(fā)光粒子的模擬軟件眾多，幾乎所有的二維合成三維軟件都有相應的模塊和解決方案。就使用的難易程度而言，二維模擬相對三維模擬較為容易。二維軟件AE經典粒子插件Trapcode Particular最為著名，三維粒子C4D的 X-Particles應用也十分廣泛。雖然二維三維軟件的操作流程不盡相同，但模擬的基本原理和很多結構非常類似，本文以Particular為例展開討論。我們已經通過預先的分析總結出了發(fā)光粒子的一些共同特征和屬性，當我打開Particular軟件的時候，就能發(fā)現(xiàn)軟件的架構和體系與我們分析的特征和屬性非常吻合，在此基礎上理解這個軟件就變得十分容易。粒子Emitter發(fā)射類型決定了是一個區(qū)域飛行粒子（螢火蟲）、還是上升的火星，或者是一個點（禮花爆炸）。Direction確定了運動基本類型，是隨機飛行還是Outwards類似爆炸。Velocity和Velocity Random確定了粒子飛行速度和變化程度。粒子當然具備獨自的大小、顏色、透明度、生命等屬性。而這些屬性中都有一個對應隨機值程度來控制所有粒子的不同變化。這里最為重要的一點，粒子的屬性Size over Life、Opacity over Life、Color over Life如果簡單看字面意思大小、不透明度和顏色的生命周期，看不出特別之處。然而很多影視作品粒子表現(xiàn)的非常暗淡虛假就是沒有深入分析和了解這幾個屬性的含義。尤其是這三個屬性還會有一個以時間為橫坐標，以Size 、Opacity、Color 為縱坐標的變化函數(shù)，這些函數(shù)可以隨著時間橫坐標的變化而改變修訂自定義值。然而這個參數(shù)的關鍵含義在于，如果每個粒子的life相同，以時間為橫坐標，根據(jù)圖中的函數(shù)映射每個粒子的不透明屬性，將會形成節(jié)奏一致的忽明忽暗的閃爍效果。但通過我們實際分析已經知道，每個粒子因為大小成分條件不同，閃爍和色彩等都是隨機變化的，因此增大life的隨機屬性，讓每個粒子的壽命不同，因此橫坐標TIME所對應的時間長度因為每個粒子的life不同而異，從而讓Opacity over Life與life Random 共同作用下形成粒子閃爍變化的效果。同理可形成不同大小和色彩的以時間為參考的隨機變化，這就是真實表現(xiàn)發(fā)光粒子最為重要的技術核心。Physics模塊下的Gravity和Air很容易理解。值得注意的是Air Resistance可以有效模擬粒子在空氣中受到阻尼的停滯效果，以及Wind風場和Turbulence Field擾亂場來模擬空氣中粒子的運動效果。Aux Systom可以模擬拖尾和二次發(fā)射粒子效果。

5體積云表現(xiàn)的典型軟件方案

體積云的表現(xiàn)目前著名三維軟件C4D，3Dmax，Maya等都有各自的解決方案，但最為方便最為的強大的表現(xiàn)工具仍然是業(yè)界公認的Houdini，Houdini可以方便的輸出工業(yè)標準的VDB文件給第三方軟件，從而使得體積云制作渲染多了一個重要的途徑。體積云白云表現(xiàn)，制作思路為Houdini引入基本幾何體，獲得形狀基礎，利用擾亂場將形態(tài)做一定變化，可利用表達式對邊緣和中心部分進行判斷，從而將邊緣部分區(qū)域的擾亂值加以權重的區(qū)別，大大增加真實感。龍卷的風的模擬一般分為4種方法

（1）利用速度場的骨架構建螺旋上升的形態(tài)，幾個多圈螺旋線交替上升。然而通過實際模擬這種形成的龍卷風效果會有明顯規(guī)律的凹槽效果，類似一顆螺絲釘?shù)穆菁y，可以利用擾亂場將邊緣的云打散，也可以利用表達式對邊緣具體速度的部分進行判斷分析從而決定使用多大的擾亂程度，這樣使得隨機性和真實性得到提高。

（2）利用現(xiàn)有的管狀幾何體的基礎上形成龍卷風效果，這個效果更接近龍卷風形成后穩(wěn)定狀態(tài)的模擬，這樣的好處在速度場類非常穩(wěn)定的跟著擾動的變化，便于更改位置形成不錯的流體效果，適當?shù)母淖僼urbulence的擾亂效果，可以獲得不同的模擬狀態(tài)。

（3）創(chuàng)建一個設定龍卷風外形的SOP，利用這個SOP產生運動的軌跡外殼去制作龍卷風。這樣獲得的外觀比較可控，能獲得一個更加接近創(chuàng)作者想表現(xiàn)的任何形狀的龍卷風。

（4）利用表達式和和編程來直接寫一個龍卷風，利用程序直接寫出力場，包括里面的流動和物理規(guī)律，但如何獲得一個更加真實可控程序是一個十分艱難的迭代過程。

6總結

數(shù)字合成中發(fā)光粒子和體積云表現(xiàn)，并不是一個簡單話題，要能完美的表現(xiàn)這種數(shù)字合成效果是一個永無止境的追求過程。在著手項目之前，如果能深入了解事物現(xiàn)象的本質原因，理解事物形成的規(guī)律，再利用軟件或者開發(fā)軟件來模擬這些現(xiàn)象，相信能獲得更加優(yōu)質的效果。

參考文獻

[1]螢火蟲（鞘翅目：螢科）兩性交流中的閃光信號.中國知網(wǎng).2005

[2][王繼文，郭麗萍.龍卷風形成原因及其危害[J].黑龍江水利科技，2011（3）：165-165.